循环流化床锅炉燃烧特性的数值模拟

循环流化床锅炉燃烧特性的数值模拟

武小芳 ,张立峰

鄂尔多斯职业学院，内蒙古 鄂尔多斯市 017000

摘要：循环流化床锅炉因其污染低、脱硫效率高等多种优势而被认可。但因其技术不成熟而导致排灰口结焦较高等多种问题，本文利用CFD对其燃烧系统动态特性进行深入研究，以期解决现今循环流化床锅炉存在的应用缺陷，为其设计以及运行优化提供重要的理论指导。

关键词：循环流化床锅炉；FLUENT；燃烧特性

1 引言

现阶段，循环流化床锅炉因其具有污染低、效率高等多种优势，得到了相关专家学者的广泛认可[1]。但因技术较新，对其的研究还不够深入，不能充分发挥其多种优势，导致排灰口结焦、N2O排放量较高等多种问题[2]。针对以上问题，Ma Suxia提出了一种新的循环流化床锅炉燃烧系统动态特性分析方法[3]。该方法是以75t/h循环流化床锅炉的炉内温度分布为基础，获取相关运行参数，分析最终结果，但该法所考虑的要素过多，存在特性分析时间较长等诸多问题。本文为了解决以上问题，利用FLUENT建立数学模型，进行仿真模拟，从而为循环流化床锅炉操作参数的优化提供理论指导。

2构建循环床锅炉燃烧系统数学模型

本次建模研究利用FLUENT软件进行，因循环流化床锅炉内的气体流动在沿着炉膛方向上有速度的变化，一般都作为湍流来处理，因此，锅炉内的各物理参数都会随空间和时间的变化而发生变化，炉内气相流动永远遵循质量守恒、动量守恒及能量守恒三大定律，所以气相湍流选用标准K-ε双方程模型。对于流化床内部的气固两相流动，本课题采用的是离散颗粒模型，也就是拉格朗日随机颗粒模型，即使当颗粒有比较复杂的变化过程时，该模型也能较好的追踪到颗粒的运动轨迹，考虑了流体湍流脉动对颗粒的影响，数值计算过程一般不会发生伪扩散。因为煤颗粒进入炉膛后，经历的加热、干燥、挥发分析出并燃烧、焦炭的燃烧等的过程，其中挥发分析出并燃烧是复杂的过程，首先，煤颗粒被加热到高温后分解，此过程中，会产生大量的气态物质，我们称作热解，热解之后会产生焦油和气体，笔者选用的是两步竞争反应模型。挥发分析出之后，就是多孔性结构的焦炭，这时，颗粒就要开始进行表面反应，而焦炭燃烧属于气固非均相燃烧，可能发生在外部表面，也可能发生在焦炭内部的气孔表面上，流化床中，由于流动的特征，所以焦炭燃烧即与扩散有关，还与反应动力学因素有关，所以本文采用的是动力/扩散控制反应速率模型。循环流化床锅炉中，火的温度一般在900℃，因此，我们也需要模拟炉内的辐射换热过程，本文选用以热流法为基础的P-1模型。其余编程接入。

3 循环流化床锅炉燃烧系统动态特性分析

以循环床锅炉流动参数和热力参数为基础，沿炉膛高度方向对炉膛区域进行划分,具体划分结果见笔者其他文章。

3.1 燃用褐煤时的模拟结果分析

1.温度场分布：通过模拟得到，炉膛温度出现中间高两边低的状态，且约在炉膛高度为2米的地方出现了温度为1130℃的高温区域，分析认为，这是因为密相区内煤粉颗粒浓度较高，属于富燃料区，炉内二次分吹入后，煤粉颗粒得到了充足的氧气，进行了富氧燃烧，因此温度达到最高，而且因为炉内四周布置水冷壁，再者，随着高度的增加，气流的速度逐渐下降，所以温度会随着炉膛高度的上升而下降。

2.混合分数分布：气体和燃煤颗粒的混合程度能很好的体现煤颗粒的燃烧程度，在高度约2米的区域混合分数最高，分析认为，此处煤粉颗粒浓度高，二次风以较高速度送入炉膛，氧气浓度较高，使的风粉颗粒混合较为充分，在高度4米以下，混合分数都较高，再随着炉膛高度的增加，混合分数下降，因为上面属于稀相区，风粉比例较大。

3.焦炭燃尽情况：通过仿真得到，大约在炉膛高度5米的区域出现了焦炭燃烧的过程，分析认为煤粉进入炉膛之后，先经过密相区的加热、干燥的过程，挥发分析出并燃烧，待挥发分燃烧基本完全后，焦炭开始燃烧，但当煤的粒径相对较大时，焦炭的燃烧过程出现的也会相对较晚些，粒径小一些的颗粒，进入炉膛后，燃烧过程会很快，燃烧相对完全。

4.组分分布：随着炉膛高度的增加，CO2的浓度越来越高，但在密相区增加较快，后来的增加速度逐渐平缓，与CO2的浓度变化相似的还有O2，只是O2的浓度是随着炉膛高度的增加而降低，但在稀相区降低的也较为平缓，分析认为密相区挥发分析出并燃烧，在加之富氧区，焦炭也开始燃烧，消耗大量O2，产生CO2，造成CO2和O2的变化较快，到了稀相区燃烧缓慢，所以变化较为平缓。

3.2 改用无烟煤后的结果分析

无烟煤和褐煤相比，埋藏年代最久，碳化程度最深、挥发分最低。典型无烟煤具有灰熔点高和低挥发分、低灰分和低含硫量的特点。但当锅炉燃烧无烟煤时，在约炉膛高度4米处，温度水平没有明显变化，而随着炉膛高度的增加温度随之上升，这样的情况与燃用褐煤不一样，分析认为，无烟煤含碳量高，料层温度不足以将无烟煤加热到它的着火点，所以炉膛高度较低时，温度也较低，随着炉膛高度的增加，无烟煤开始逐渐燃烧，放出热量，温度逐渐上升。

4 结论

本文在模拟循环流化床锅炉时，气相湍流模型选用标准K-ε双方程模型，气固两相流动模型选用基于拉格朗日方法的随机颗粒模型，挥发分析出、燃烧采用两步竞争反应模型，焦炭燃烧模型采用动力/扩散控制反应速率模型，通过仿真得到，虽然循化流化床锅炉煤种适应性广，但对于一台设计好的循环流化床锅炉，并不能很好、高效率燃烧所有煤种，尤其是煤种从褐煤改为无烟煤时，锅炉效率会降低，燃烧不完全、灰分含碳量会升高。

参考文献：

[1]Li Guoqiang, Qi Xiaobin, Chen Bin, Zhang Lu. Modeling Research of a CFB Boiler Combustion System Based on Neural Network[J]. Journal Of Chinese Society Of Power Engineering, 2018, 38(6):440-446.

[2]Chang Taihua, Zhang Qi, Gao Mingming. Optimal Control in Circulating Fluidized Bed Combustion Systems[J]. Techniques of Automation and Applications, 2017, 36(6):22-25.

[3]Ma Suxia, Yang Xianyong. Study on Dynamic Behavior of the Combustion System of a Circulating Fluidized Bed Boiler[J]. Proceedings of the Chinese Society for Electrical Engineering, 2018, 36(9):1-6.

基金项目：2019年度内蒙古自治区高等学校科学研究项目：循环流化床锅炉流动和燃烧特性的建模研究，项目编号：NJZY19319。2020年度内蒙古自治区高等学校科学研究项目，项目编号：NJZY20218。